Специалисты из Московского авиационного института разрабатывают цифровые модели тепловой защиты летательных аппаратов при гиперзвуке. Во время преодоления сопротивления атмосферы при гиперзвуковом полёте внешняя оболочка гиперзвуковых летательных аппаратов нагревается. И поэтому важно создать защиту. Для этого в ракетно-космической технике используют композиционные материалы. Они умеют поглощать достаточно тепловой энергии при аэродинамическом нагреве через физико-химические превращения.

Для того, чтобы спрогнозировать поведение композиционных материалов при такой эксплуатации, учёные из Московского авиационного института при поддержке Российского научного фонда разрабатывают комплексные механико-математические модели. Они помогут исследовать процессы деградации механических и теплофизических свойств композиционных материалов во время высокоинтенсивного аэрогазодинамического нагрева гиперзвуковых летательных аппаратов.

Проект ведут специалисты двух институтов: институт № 8 «Информационные технологии и прикладная математика» и институт № 9 «Общеинженерной подготовки» МАИ. А руководитель научного коллектива – доктор физико-математических наук, профессор кафедры 806 «Вычислительная математика и программирование» Владимир Фёдорович Формалёв.

«Проект посвящён разработке комплексных механико-математических моделей при напряжённо-деформированном состоянии композиционных материалов, как конструкционных, так и теплозащитных, в условиях совместного силового и теплового воздействия при аэродинамическом нагреве гиперзвуковых летательных аппаратов (ЛА), а также исследованию процессов деградации механических и теплофизических свойств композиционных материалов», — говорит Владимир Фёдорович.

Проект начался в 2016 году. Всего в нем приняли участие около 15 человек из числа докторов и кандидатов наук, а также аспирантов и студентов. Научный коллектив, который состоит из двух групп: представители первой занимаются созданием математических моделей задач тепломассообмена, численных методов и программных комплексов и решением обратных задач по идентификации различных свойств композиционных материалов, а специалисты второй группы исследуют механические свойства композиционных материалов и проводят эксперименты.

«В настоящее время разрабатывается и внедряется в практику проектирования энергетического и транспортного машиностроения значительное количество конструкционных и теплозащитных композиционных материалов с различными наполнителями (кремниевые, углеродные, асбестовые, алюминиевые, титановые, базальтовые и др. волокна) с органическими и неорганическими связующими. Ключевыми вопросами при их разработке и эксплуатации являются проблемы надёжности в условиях высоких механических, газодинамических нагрузок, поскольку композиты подвержены значительным деструктивным изменениям, как в процессе знакопеременных циклических механических, так и в условиях высоких тепловых нагрузок, характерных при аэрогазодинамическом нагружении гиперзвуковых летательных аппаратов, поскольку температура в ударном слое может достигать 20 000 градусов по шкале Кельвина «и выше», — говорит основной исполнитель проекта, доктор физико-математических наук, профессор кафедры 806 Сергей Александрович Колесник.

В 2016 году ученый защитил докторскую диссертацию по математическому моделированию совместных задач теплогазодинамики и анизотропной теплопроводности в условиях аэрогазодинамического нагрева и обратным задачам теплопереноса в анизотропных телах, которая стала вкладом в проект.

В основе проекта исследователей лежит разработка универсального закона разложения связующих теплозащитных композиционных материалов при высоких температурах. Он универсален, потому что не использует трудно формализуемую химическую кинетику разложения. Ученые вывели закон на основе известных (паспортных) значений плотностей и температур начала и окончания разложения связующих теплозащитных композиционных материалов, а также экспоненциального характера разложения связующих композиционных материалов.

Затем на базе такого закона разработали физико-математическую модель тепломассопереноса в теплозащитных композиционных материалах, которая учитывает процессы разложения связующих, фильтрацию пиролизных газов, тепломассопереноса, уноса массы и его влияние на нестационарное температурное поле, вдува пиролизных газов в газодинамический пограничный слой и уменьшения тепловых потоков к наружной границе. Модель также учитывает явления, которые могут привести к существенной нелинейности и нестационарности математических моделей при высоких температурах. Например, излучение, зависимость теплофизических характеристик материалов от температуры их разрыва, анизотропию и многомерность распространения тепла.

«Сформулированные задачи в каждой отдельной области исследуемой проблемы (прогноз свойств композитов, определение температурных полей в теплозащитном материале в условиях уноса массы, определение фазового состава, оценка параметров сопряжённого тепломассопереноса между вязкими газодинамическими течениями и анизотропными телами, обратные задачи, получение и испытание экспериментальных образцов керамики, металлокомпозитов, углеродных композитов) в значительной степени являются новыми, но именно комплексная постановка проблемы является совершенно новой и неисследованной. Некоторые результаты, полученные в рамках проекта, позволили оценить степень «связанности» исследуемых процессов и возможность их достоверного теоретического описания «и оптимизации», — говорит Сергей Александрович.

Такой проектный опыт поможет учёным МАИ продолжить работу над новым способом тепловой защиты носовых частей гиперзвуковых летательных аппаратов, который состоит из композиционных материалов с большой степенью продольной анизотропии, что позволит при длительном гиперзвуковом полёте функционировать в условиях отсутствия уноса массы.